JP2007330981A - Gap detecting device for laser beam machine and laser beam machining system, and gap detection method for laser beam machine - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出装置、ギャップ検出方法及びレーザ加工システムに関する。 The present invention relates to a gap detection device, a gap detection method, and a laser processing system that detect a gap between a nozzle that outputs laser light in a laser processing machine and a workpiece to be processed by the laser light.
従来からレーザ加工に関して様々な技術が提案されている。例えば特許文献1には、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、加工対象物であるワークとの間のギャップを検出する技術が開示されている。また特許文献2には、レーザ加工中に発生するプラズマを抑制し、ノズルとワークとの間の静電容量の安定化を図る技術が開示されている。
Conventionally, various techniques relating to laser processing have been proposed. For example,
上述の特許文献1の技術では、センサ電極への入力信号の周波数を、レーザ加工中に発生するプラズマによるインピーダンスが純抵抗となるような値に選択し、この純抵抗を、ノズルとワークとの間のギャップによるインピーダンスと、レーザ加工中に発生するプラズマによるインピーダンスとの合成インピーダンスから除去することによって、ギャップ検出に対するプラズマの影響を低減している。しかしながら、センサ電極への入力信号の周波数を注意深く選択したとしても、プラズマによるインピーダンスには抵抗成分の他にも静電容量成分も僅かながらに含まれるため、特許文献1の技術では、ギャップ検出に対するプラズマの影響を完全には排除することはできない。そのため、ノズルとワークとの間のギャップを精度良く検出することが困難である。
In the technique of the above-mentioned
そこで、本発明は上述の問題に鑑みて成されたものであり、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、加工対象物との間のギャップを高精度に検出することが可能な技術を提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made in view of the above-described problems, and a technique capable of detecting a gap between a nozzle that outputs laser light and a workpiece in a laser processing machine with high accuracy. The purpose is to provide.
この発明のレーザ加工機用のギャップ検出装置は、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出装置であって、前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部とを備える。 A gap detection device for a laser processing machine according to the present invention is a gap detection device that detects a gap between a nozzle that outputs laser light in a laser processing machine and a workpiece to be processed by the laser light, A synthetic admittance acquisition unit that obtains a synthetic admittance that is a reciprocal of a synthetic impedance of a gap capacitance that depends on the gap and a plasma impedance that depends on plasma generated during laser processing on the workpiece; From the imaginary part, from the real part of the synthetic admittance, the synthetic capacitance obtaining part that obtains the synthetic capacitance that is the sum of the gap capacitance and the capacitance component included in the plasma impedance, the plasma impedance A resistance component obtaining unit for obtaining a resistance component contained in A capacitance component acquisition unit for obtaining the capacitance component using a model indicating a relationship with the capacitance component and the resistance component obtained by the resistance component acquisition unit, and the combined capacitance A gap capacitance acquisition unit that subtracts the capacitance component from the gap capacitance to obtain the gap capacitance, and a gap acquisition unit that obtains the gap from the gap capacitance obtained by the gap capacitance acquisition unit. Prepare.
また、この発明のレーザ加工システムは、レーザ光を出力するノズルを有するレーザ加工機と、前記レーザ光によって加工される加工対象物と前記ノズルとの間のギャップを検出するギャップ検出装置とを備え、前記ギャップ検出装置は、前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部とを有する。 The laser processing system of the present invention includes a laser processing machine having a nozzle that outputs laser light, and a gap detection device that detects a gap between the processing object to be processed by the laser light and the nozzle. The gap detection device obtains a synthetic admittance for obtaining a synthetic admittance that is a reciprocal of a synthetic impedance of a gap capacitance dependent on the gap and a plasma impedance dependent on plasma generated during laser processing on the workpiece. A combined capacitance acquisition unit for obtaining a combined capacitance that is a sum of the gap capacitance and a capacitance component included in the plasma impedance from an imaginary part of the combined admittance, and a combined admittance of the combined admittance From the real part, a resistor for obtaining the resistance component included in the plasma impedance. Capacitance component for obtaining the capacitance component using a component acquisition unit, a model indicating the relationship between the resistance component and the capacitance component, and the resistance component obtained by the resistance component acquisition unit An acquisition unit; a gap capacitance acquisition unit that subtracts the capacitance component from the combined capacitance to obtain the gap capacitance; and the gap capacitance obtained by the gap capacitance acquisition unit. A gap obtaining unit for obtaining the gap.
また、この発明のレーザ加工機用のギャップ検出方法は、レーザ加工機におけるレーザ光を出力するノズルと、当該レーザ光によって加工される加工対象物との間のギャップを検出するギャップ検出方法であって、(a)前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める工程と、(b)前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める工程と、(c)前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める工程と、(d)前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める工程と、(e)前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求める工程と、(f)前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求める工程とを備える。 The gap detection method for a laser beam machine according to the present invention is a gap detection method for detecting a gap between a nozzle that outputs laser light in the laser beam machine and a workpiece to be processed by the laser beam. (A) obtaining a synthetic admittance that is a reciprocal of a synthetic impedance of a gap capacitance dependent on the gap and a plasma impedance dependent on plasma generated during laser processing on the workpiece; (b) ) Obtaining a synthetic capacitance that is the sum of the gap capacitance and the capacitance component included in the plasma impedance from the imaginary part of the synthetic admittance; and (c) from the real part of the synthetic admittance, Obtaining a resistance component included in the plasma impedance; and (d) the resistance component and the capacitance. A step of obtaining the capacitance component using a model indicating a relationship with the component and the resistance component obtained by the resistance component acquisition unit; and (e) the capacitance component from the combined capacitance. Are subtracted to obtain the gap capacitance, and (f) a step of obtaining the gap from the gap capacitance.
この発明のレーザ加工機用のギャップ検出装置、レーザ加工システム及びレーザ加工機用のギャップ検出方法によれば、プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分だけではなく、それに含まれる静電容量成分も考慮して、ノズルと加工対象物との間のギャップを求めているため、レーザ加工中に発生するプラズマが当該ギャップの検出に与える影響を抑制することができる。よって、当該ギャップを高精度に検出することができる。 According to the gap detection device for a laser beam machine, the laser beam machining system, and the gap detection method for the laser beam machine according to the present invention, not only the resistance component included in the plasma impedance but also the capacitance component included therein is taken into consideration. Since the gap between the nozzle and the workpiece is obtained, the influence of plasma generated during laser processing on the detection of the gap can be suppressed. Therefore, the gap can be detected with high accuracy.
実施の形態1.
図1は本発明の実施の形態1に係るレーザ加工システムの構成を示す図である。図1に示されるように、本実施の形態1に係るレーザ加工システムは、加工対象物である金属板等のワーク50にレーザ光を照射して、当該ワーク50を加工するレーザ加工機1と、レーザ加工機1における後述のノズル4とワーク50との間のギャップdを測定するギャップ検出装置20とを備えている。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a laser processing system according to
レーザ加工機1は、ユーザによる各種情報の入力を受け付ける操作パネル2を備えている。ユーザは操作パネル2を操作することによって、ワーク50の材質や厚みなどの加工条件などをレーザ加工機1に入力することができる。また、レーザ加工機1では、加工ヘッド6の先端にレーザ光を出力するノズル4が取り付けられており、当該ノズル4の周囲には、絶縁材料を介してガード電極5が取り付けられている。そして、レーザ加工機1には、加工ヘッド6を移動させる加工機コントローラ3が設けられている。レーザ加工機1は、加工機コントローラ3によって加工ヘッド6を移動させながらノズル4から出力されるレーザ光でワーク50を加工する。
The
図2はギャップ検出装置20の構成を示す図である。ワーク50に対してレーザ加工を行う際には、ワーク50に対してレーザ光が最適な強度で照射されるように、レーザ光の焦点距離が所望の位置にくるようレーザ光を出力するノズル4とワーク50との間のギャップdを適切に制御する必要がある。そのためには、ギャップdを高精度に検出する必要がある。本実施の形態1に係るギャップ検出装置20ではギャップdを高精度に検出することが可能である。ギャップ検出装置20は、検出したギャップdの値をレーザ加工機1の加工機コントローラ3に出力する。加工機コントローラ3は、ギャップ検出装置20から受け取ったギャップdの値に基づいて加工ヘッド6を制御する。これにより、ノズル4とワーク50との間のギャップdが適切な値に保持され、レーザ加工に最適な強度でレーザ光がワーク50に照射される。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of the
図2に示されるように、ギャップ検出装置20は、中心電極ケーブル26及びガード電極ケーブル27が取り付けられたギャップ検出装置本体21を備えている。ギャップ検出装置本体21は、入力信号Vinを生成して出力する信号生成部22と、入力信号Vinを受けて出力するバッファ回路23と、バッファ回路23からの出力信号Voutに基づいてギャップdを求める信号処理部24と、基準抵抗Rrefとを備えている。入力信号Vinは正弦波や三角波などの交流信号である。信号生成部22の出力端子は基準抵抗Rrefの一端と接続されている。バッファ回路23は例えばオペアンプで構成されている。当該オペアンプのプラス入力端子には基準抵抗Rrefの他端が接続されており、マイナス入力端子には当該オペアンプの出力端子が接続されている。つまり、当該オペアンプは、電圧フォロア回路として機能し、基準抵抗Rrefの他端の信号を受けてそのまま出力信号Voutとして信号処理部24に出力する。
As shown in FIG. 2, the
また、基準抵抗Rrefの他端は中心電極ケーブル26によってレーザ加工機1内の中心電極40と接続されている。本例では、ノズル4が中心電極40として機能している。中心電極40とワーク50とはコンデンサとして機能し、ギャップdに依存するギャップ静電容量Cgを構成している。したがって、ギャップdが変化するとギャップ静電容量Cgは変化する。ギャップ検出装置本体21の信号処理部24は、ギャップ静電容量Cgを求め、求めたギャップ静電容量Cgからギャップdを求める。なお本例では、ノズル4が中心電極40として機能しているが、ギャップdに応じてワーク50との距離が変化する中心電極40を、ノズル4の近傍に当該ノズル4とは別にワーク50と対向するように設けても良い。
The other end of the reference resistor Rref is connected to the
ここで、ノズル4とワーク50とを相対的に移動させてレーザ加工を行うと、加工条件によってノズル4とワーク50との間にプラズマが発生する。このプラズマは、中心電極40とワーク50との間にインピーダンスZpを構成するように作用する。つまり、中心電極40とワーク50との間には当該プラズマに依存するインピーダンスZp(以後、「プラズマインピーダンスZp」と呼ぶ)が形成される。したがって、レーザ加工中には、中心電極40とワーク50との間には、互いに並列接続されたギャップ静電容量CgとプラズマインピーダンスZpとが形成され、基準抵抗Rrefは、電気的には、ギャップ静電容量CgとプラズマインピーダンスZpとの合成インピーダンスZに接続されていると考えることができる。そして、レーザ加工中にはワーク50は接地されるため、電気的には、信号生成部22の出力端子と接地電圧との間において、基準抵抗Rrefと合成インピーダンスZとが直列に接続されていることになる。よって、基準抵抗Rrefの他端に接続されたバッファ回路23には入力信号Vinが分圧されて入力され、バッファ回路23からは入力信号Vinの分圧信号が出力される。
Here, when laser processing is performed by relatively moving the
レーザ加工機1内のガード電極5には、ガード電極ケーブル27が接続されている。そして、ガード電極ケーブル27にはバッファ回路23の出力端子が接続されている。したがって、中心電極ケーブル26の電圧とガード電極ケーブル27の電圧とはほぼ等しくなる。本例では、中心電極ケーブル26とガード電極ケーブル27とが同心ケーブル25を構成して、同心ケーブル25の中心導体が中心電極ケーブル26であって、当該中心導体を取り囲む外側の導体がガード電極ケーブル27である。したがって、同心ケーブル25の中心導体と外側の導体との電圧をほぼ等しくすることができる。よって、ギャップ検出装置本体21とレーザ加工機1とを接続するケーブルでの浮遊容量がギャップdを検出する際に与える影響を低減することができる。
A
次に、信号処理部24でのギャップdの検出方法について詳細に説明する。図3は本実施の形態1に係るギャップ検出方法を示すフローチャートである。図3に示されるように、まずステップs1において、信号処理部24は、入力信号Vinから出力信号Voutまでの伝達関数F(s)を求める。伝達関数F(s)にs=jωを代入したF(jω)は周波数伝達関数とよばれる。ここで、jは虚数単位、ωは角周波数をそれぞれ示している。なお本例では、入力信号Vinの情報は予め信号処理部24に記憶されている。信号処理部24は、バッファ回路23から出力される出力信号Voutをサンプリングし、それによって得られたデータと、予め記憶する入力信号Vinのデータとに基づいて伝達関数F(s)を求める。ステップs1では、すべての周波数領域について伝達関数F(s)を求める必要は無く、少なくとも一つの角周波数ωにおける周波数伝達関数F(jω)を求めればよい。ただし、伝達関数F(s)は、ギャップ静電容量Cgを取得するために求めているため、ギャップdの変化に対するギャップ静電容量Cgの感度に留意して、ある程度高い周波数領域での値を求める必要がある。本例では、数10kHz以上の周波数領域での周波数伝達関数F(jω)を求める。そのために、信号処理部24での出力信号Voutに対するサンプリング周波数を十分高い値に設定し、また、信号生成部22において、当該周波数領域の成分を含むように入力信号Vinを生成している。
Next, a method for detecting the gap d in the
次にステップs2において、信号処理部24は、求めた伝達関数F(s)から合成インピーダンスZの逆数である合成アドミタンスZ-1を求める。つまり、信号処理部24は、合成アドミタンスZ-1を求める合成アドミタンス取得部として機能する。ここでも、すべての周波数領域における合成アドミタンスZ-1を求める必要はなく、少なくとも一つの周波数における合成アドミタンスZ-1を求めればよい。
Next, in step s2, the
ここで、信号生成部22の出力からバッファ回路23の出力までの系を電気回路とみなして、入力信号Vinから出力信号Voutまでの伝達関数F(s)を以下の式(1)の数式モデルで表現する。
Here, the system from the output of the
ただし、式(1)中のA(s)及びX(s)は、実際に使用するバッファ回路23及び同心ケーブル25の種類や、基準抵抗Rrefやバッファ回路23が形成されている基板の特性によって決定されるパラメータである。また、Vin(s)、Vout(s)、Z(s)は、それぞれ入力信号Vin、出力信号Vout、合成インピーダンスZを示している。本例では、パラメータA(s),X(s)の値は信号処理部24に予め記憶されている。これらのパラメータA(s),X(s)の値は、ステップs1で求める伝達関数F(s)と同じように、使用する周波数における値がわかればよい。
However, A (s) and X (s) in the formula (1) depend on the type of the
上記式(1)においては、合成インピーダンスZ(s)及びパラメータX(s)は、ともに逆数の形で存在している。後述の説明から明らかになるように、合成インピーダンスZ(s)及びパラメータX(s)は逆数のまま取り扱うほうが色々な利点があり何かと都合が良い。ステップs2において、合成インピーダンスZ(s)の逆数である合成アドミタンスZ(s)-1を求めるのは、そのためである。 In the above equation (1), the combined impedance Z (s) and the parameter X (s) both exist in the form of reciprocals. As will be apparent from the description below, it is convenient to handle the combined impedance Z (s) and the parameter X (s) with their reciprocal numbers having various advantages. This is why, in step s2, the combined admittance Z (s) −1 that is the reciprocal of the combined impedance Z (s) is obtained.
式(1)においてsにjωを代入すると、以下の式(2)のようになる。 When jω is substituted for s in equation (1), the following equation (2) is obtained.
そして、周波数伝達関数F(jω)からその周波数における合成アドミタンスZ(jω)-1を求めるために、式(2)を以下のように変形する。 Then, in order to obtain the synthesized admittance Z (jω) −1 at that frequency from the frequency transfer function F (jω), the equation (2) is modified as follows.
ステップs2では、信号処理部24は、求めた周波数伝達関数F(jω)の値と、パラメータA(jω),X(jω)の値と、基準抵抗Rrefの値とを式(3)に代入して、合成アドミタンスZ(jω)-1を求める。なお、基準抵抗Rrefの値は信号処理部24に予め記憶されている。
In step s2, the
次にステップs3では、信号処理部24は、求めた合成アドミタンスZ(jω)-1からギャップ静電容量Cgを求める。このステップs3での処理を説明する前に、まずレーザ加工中に発生するプラズマの特性について説明する。
Next, in step s3, the
合成アドミタンスZ(jω)-1は、ギャップ静電容量Cgと、プラズマインピーダンスZp(jω)の逆数であるプラズマアドミタンスZp(jω)-1とを用いて以下の式(4)で表すことができる。 The synthesized admittance Z (jω) −1 can be expressed by the following equation (4) using the gap capacitance Cg and the plasma admittance Zp (jω) −1 that is the reciprocal of the plasma impedance Zp (jω). .
そして、プラズマインピーダンスZp(jω)は、抵抗成分Rpと静電容量成分Cpとが並列接続された回路の合成インピーダンスと考えることができることから、式(4)は以下の式(5)に変形することができる。 Since the plasma impedance Zp (jω) can be considered as a combined impedance of a circuit in which the resistance component Rp and the capacitance component Cp are connected in parallel, the equation (4) is transformed into the following equation (5). be able to.
そして、Rp=R、Cg+Cp=Cとすると、式(5)は以下の式(6)に変形することができる。 When Rp = R and Cg + Cp = C, the equation (5) can be transformed into the following equation (6).
このように、合成アドミタンスZ(jω)-1は、抵抗値Rの抵抗素子と、容量Cのコンデンサとが並列接続された回路の合成インピーダンスの逆数と考えることができる。 Thus, the combined admittance Z (jω) −1 can be considered as the reciprocal of the combined impedance of a circuit in which a resistance element having a resistance value R and a capacitor having a capacitance C are connected in parallel.
上述のステップs2で求めた合成アドミタンスZ(jω)-1は複素数であるため、式(6)に示されるように、実部R-1と虚部ωCとに分けることができる。そして、横軸が実部R-1を示し、縦軸が虚部ωCを角周波数ωで割った値であるCを示すR-1−C平面に、ステップs2で求めた合成アドミタンスZ(jω)-1をプロットすると、レーザ加工中に発生するプラズマの特性を解析することができる。なお、横軸が実軸、縦軸が虚軸とした複素平面に合成アドミタンスZ(jω)-1をプロットしても、レーザ加工中に発生するプラズマの特性を解析することができる。 Since the composite admittance Z (jω) −1 obtained in the above step s2 is a complex number, it can be divided into a real part R −1 and an imaginary part ωC as shown in the equation (6). Then, the horizontal axis indicates the real part R -1 and the vertical axis indicates the composite admittance Z (jω obtained in step s2 on the R -1 -C plane indicating C which is a value obtained by dividing the imaginary part ωC by the angular frequency ω. ) If -1 is plotted, the characteristics of the plasma generated during laser processing can be analyzed. Note that the characteristics of the plasma generated during laser processing can be analyzed even if the synthetic admittance Z (jω) −1 is plotted on a complex plane with the horizontal axis representing the real axis and the vertical axis representing the imaginary axis.
図4は、合成アドミタンスZ(jω)-1がプロットされたR-1−C平面を示す図である。図4中の実線100は、ギャップdを一定に保ちつつ加工速度を徐々に上げていった際の合成アドミタンスZ(jω)-1の特性を示している。なお図4では、参考までに、プラズマインピーダンスの代わりに、レーザ光を止めて静止したノズル4とワーク50との間に実際に抵抗素子を挿入し、ギャップdが一定の状態で当該抵抗素子の抵抗値を変化させた際の合成アドミタンスZ(jω)-1の特性を破線101で示している。
FIG. 4 is a diagram illustrating the R −1 -C plane on which the synthetic admittance Z (jω) −1 is plotted. A
図4中の実線100及び破線101から、ノズル4とワーク50との間にプラズマが発生する場合と、ノズル4とワーク50との間に抵抗素子を挟む場合とでは、合成アドミタンスZ(jω)-1の特性は異なる挙動を示すことが理解できる。したがって、この結果からも、ノズル4とワーク50との間に発生するプラズマは純抵抗としては作用しておらず、プラズマインピーダンスZp(jω)には静電容量成分が含まれていることが理解できる。
From the
実線100に示されるように、加工速度が大きくなると、つまり発生するプラズマの強度が大きくなると、1/Rの値とCの値とはともに大きくなり、R-1−C平面で示される合成アドミタンスZ(jω)-1の特性は、僅かながらに傾きを持ってほぼ線形に変化する。図4では、理解を容易にするために当該傾きを誇張して示している。図4の結果から以下の関係式(7)が成立する。
As shown by the
式(7)の左辺の分母及び分子は1/Rの増加量及びCの増加量をそれぞれ示しており、右辺のkは図4に示される合成アドミタンスZ(jω)-1の特性の傾きを示している。したがって、任意の強さのプラズマに対して以下の関係式(8)が成立する。 The denominator and numerator on the left side of Equation (7) indicate the increase amount of 1 / R and the increase amount of C, respectively, and k on the right side indicates the slope of the characteristic of the synthetic admittance Z (jω) −1 shown in FIG. Show. Therefore, the following relational expression (8) is established for plasma of arbitrary strength.
式(8)はプラズマアドミタンスZp(jω)-1の特性を示すモデル式、言い換えればプラズマインピーダンスZp(jω)に含まれる抵抗成分Rpと静電容量成分Cpとの関係を示すモデル式であって、ステップs3では、当該モデル式を用いてギャップ静電容量Cgを求める。なお、パラメータkの値は信号処理部24に予め記憶されている。解析の結果、周波数1MHzのレーザ光を用いてワーク50を加工した際のkの値は10-9ΩF〜10-8ΩFの範囲にあった。ステップs3で使用されるパラメータkの値は10-9ΩF以上10-8ΩF以下に設定される。
Expression (8) is a model expression indicating the characteristics of the plasma admittance Zp (jω) −1 , in other words, a model expression indicating the relationship between the resistance component Rp and the capacitance component Cp included in the plasma impedance Zp (jω). In step s3, the gap capacitance Cg is obtained using the model equation. Note that the value of the parameter k is stored in the
図5はステップs3での処理を詳細に示すフローチャートである。図5に示されるように、まずステップs31において、信号処理部24は、求めた合成アドミタンスZ(jω)-1の実部から抵抗成分Rpの逆数Rp-1を求める。そしてステップs32において、信号処理部24は、求めた逆数Rp-1に予め記憶しているパラメータkの値を掛け合わせて静電容量成分Cpを求める。なお、ステップs31では抵抗成分Rpを逆数の形で求めているが、抵抗成分Rpをそのまま求めて、ステップs32においてパラメータkの値を抵抗成分Rpで除算して静電容量成分Cpを求めても良い。
FIG. 5 is a flowchart showing in detail the processing in step s3. As shown in FIG. 5, first, in step s31, the
次にステップs33において、信号処理部24は、合成アドミタンスZ(jω)-1の虚部から、ギャップ静電容量Cgと静電容量成分Cpとの和である合成静電容量Cc(=Cg+Cp)を求める。そして、ステップs34において、信号処理部24は、合成静電容量Ccから静電容量成分Cpを差し引いてギャップ静電容量Cgを求める。
Next, in step s33, the
このように、信号処理部24は、抵抗成分Rpを求める抵抗成分取得部として機能するとともに、静電容量成分Cpを求める静電容量成分取得部として機能する。また、信号処理部24は、合成静電容量Ccを求める合成静電容量取得部として機能するとともに、ギャップ静電容量Cgを求めるギャップ静電容量取得部として機能する。
As described above, the
なお本例では、プラズマアドミタンスZp(jω)-1の特性を示すモデルとして、式(8)のモデル式を使用したが、事前の実験で取得しておいた、抵抗成分Rpと静電容量成分Cpとの対応関係を示すルックアップテーブルを使用しても良い。この場合には、信号処理部24は当該ルックアップテーブルを予め記憶しており、ステップs31で求めた抵抗成分Rpに対応する静電容量成分Cpを当該ルックアップテーブルから取得することになる。
In this example, the model equation of the equation (8) is used as a model indicating the characteristics of the plasma admittance Zp (jω) −1 . However, the resistance component Rp and the capacitance component acquired in the previous experiment are used. You may use the look-up table which shows the correspondence with Cp. In this case, the
図3を参照して、ステップs3においてギャップ静電容量Cgが求められると、ステップs4において、信号処理部24は、ギャップ静電容量Cgから、ギャップdの値を示す検出ギャップ信号Vdを生成する。ギャップ静電容量Cgとギャップdとの対応関係は、加工ヘッド6の形状、ノズル4の形状、同心ケーブル25の長さなどによって変化するため、当該対応関係を事前に実験で取得しておく必要がある。そして、取得した当該対応関係を示すルックアップテーブルを作成し、信号処理部24に予め記憶させておく。信号処理部24は、当該ルックアップテーブルを参照して、求めたギャップ静電容量Cgに対応するギャップdの値を取得し、当該値を示す検出ギャップ信号Vdを出力する。あるいは、当該対応関係を示す近似曲線式を事前に作成し、信号処理部24は、当該近似曲線式に求めたギャップ静電容量Cgの値を代入することによってギャップdの値を求めても良い。
Referring to FIG. 3, when the gap capacitance Cg is obtained in step s3, in step s4, the
信号処理部24から出力された検出ギャップ信号Vdは、図示しないケーブルを介してレーザ加工機1の加工機コントローラ3に入力される。加工機コントローラ3は、ノズル4とワーク50との間のギャップdが適切な値となるように、検出ギャップ信号Vdに基づいて加工ヘッド6を制御する。
The detection gap signal Vd output from the
以上のように、本実施の形態1では、プラズマインピーダンスZpに含まれる抵抗成分Rpだけではなく、それに含まれる静電容量成分Cpも考慮して、ノズル4とワーク50との間のギャップdを求めている。
As described above, in the first embodiment, not only the resistance component Rp included in the plasma impedance Zp but also the capacitance component Cp included in the plasma impedance Zp is considered, and the gap d between the
一方で、上述の特許文献1の技術では、抵抗成分Rpだけしか考慮していないため、求めたギャップ静電容量Cgには静電容量成分Cpが含まれている。そのため、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップdの検出に与える影響を十分に排除することができず、精度良くギャップdを検出することができない。
On the other hand, since only the resistance component Rp is considered in the technique of the above-described
本実施の形態1では、静電容量成分Cpも考慮してギャップdを求めているため、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップdの検出に与える影響を抑制することができる。よって、当該ギャップdを高精度に検出することができる。 In the first embodiment, since the gap d is obtained in consideration of the electrostatic capacitance component Cp, the influence of plasma generated during laser processing on the detection of the gap d can be suppressed. Therefore, the gap d can be detected with high accuracy.
また、本実施の形態1では、抵抗成分Rpと静電容量成分Cpとの関係を示すモデルとして、式(8)のモデル式を使用している。当該モデル式は、抵抗成分Rpと静電容量成分Cpとの関係を単純かつ的確に表現しているため、容易かつ正確に静電容量成分Cpを求めることができる。また、静電容量成分Cpを求める機能をギャップ検出装置20に容易に実装することができる。
In the first embodiment, the model formula of Formula (8) is used as a model indicating the relationship between the resistance component Rp and the capacitance component Cp. Since the model formula expresses the relationship between the resistance component Rp and the capacitance component Cp simply and accurately, the capacitance component Cp can be easily and accurately obtained. In addition, the function for obtaining the capacitance component Cp can be easily mounted on the
また、上述のように、抵抗成分Rpと静電容量成分Cpとの関係を示すモデルとして、抵抗成分Rpと静電容量成分Cpとの対応関係を示すルックアップテーブルを使用することによっても、容易かつ正確に静電容量成分Cpを求めることができ、静電容量成分Cpを求める機能をギャップ検出装置20に容易に実装することができる。
Further, as described above, it is also easy to use a look-up table indicating the correspondence between the resistance component Rp and the capacitance component Cp as a model indicating the relationship between the resistance component Rp and the capacitance component Cp. And the electrostatic capacitance component Cp can be calculated | required correctly and the function which calculates | requires the electrostatic capacitance component Cp can be easily mounted in the
また、本実施の形態1では、式(2)に示される周波数伝達関数F(jω)を用いて合成アドミタンスZ(jω)-1を求めている。式(2)の周波数伝達関数F(jω)は、入力信号Vinから出力信号Voutまでの伝達関数を単純かつ的確に表現しているため、容易かつ正確に合成アドミタンスZ(jω)-1を求めることができる。また、合成アドミタンスZ(jω)-1を求める機能をギャップ検出装置20に容易に実装することができる。
Further, in the first embodiment, the synthesized admittance Z (jω) −1 is obtained using the frequency transfer function F (jω) represented by the equation (2). Since the frequency transfer function F (jω) in Expression (2) simply and accurately represents the transfer function from the input signal Vin to the output signal Vout, the synthesized admittance Z (jω) −1 is easily and accurately obtained. be able to. In addition, the function for obtaining the composite admittance Z (jω) −1 can be easily implemented in the
実施の形態2.
図6は本発明の実施の形態2に係るギャップ検出装置20の構成を示す図である。本実施の形態2に係るギャップ検出装置20は、上述の実施の形態1に係るギャップ検出装置20において、パラメータkの値を入力する入力部30をさらに備えたものである。
FIG. 6 is a diagram showing a configuration of the
入力部30は、例えば操作ボタン等を含む操作部を有しており、ユーザは当該操作部を操作することによって、パラメータkの値をギャップ検出装置本体21に入力することができる。入力部30に入力されたパラメータkの値は信号処理部24に入力される。信号処理部24は、予め記憶するパラメータkの値を入力された値に置き換えて、以後のギャップdの検出では当該入力された値を使用する。その他の構成については実施の形態1に係るギャップ検出装置20と同様であるため、その説明は省略する。
The
一般的に、レーザ加工中に発生するプラズマの特性は、レーザ加工機1が設定するギャップdの値、ワーク50の材質・厚さ、使用する加工ガスなどの加工条件によって変化する。したがって、加工条件によって、上述の図4に示されるプラズマアドミタンスZp-1の特性が変化し、当該特性の傾きが変化する。実施の形態1に係るレーザ加工システムを実際に運用した結果、特に設定するギャップdの値によって当該特性の傾きの値は変化することが確認できた。本実施の形態2に係るギャップ検出装置20では、外部からパラメータkの値を入力することができるため、加工条件に応じてパラメータkの値を容易に変化させることができる。その結果、ギャップdをさらに精度良く検出することができる。
In general, characteristics of plasma generated during laser processing vary depending on processing conditions such as the value of the gap d set by the
なお、本実施の形態2では、ギャップ検出装置20に外部から直接パラメータkの値を入力しているが、レーザ加工機1からパラメータkの値をギャップ検出装置20に入力しても良い。図7はこの場合のレーザ加工システムの構成を示す図である。図7に示されるように、レーザ加工機1の加工機コントローラ3は、パラメータkの値をギャップ検出装置20の信号処理部24に入力する。ユーザは、操作パネル2を操作することによってパラメータkの値を加工機コントローラ3に入力されることができ、加工機コントローラ3は入力されたパラメータkの値を信号処理部24に出力する。
In the second embodiment, the value of the parameter k is directly input to the
このように、レーザ加工機1側からパラメータkの値をギャップ検出装置20に入力することによって、加工条件に応じてパラメータkの値を入力しやすくなる。
Thus, by inputting the value of the parameter k to the
なお上記例では、パラメータkの値はユーザによって入力されていたが、加工機コントローラ3が、操作パネル2を介して入力された加工条件に基づいて自動的にパラメータkの値を決定しても良い。加工機コントローラ3が、加工条件とパラメータkとの対応関係を示すルックアップテーブルを予め記憶していることによって、入力された加工条件からパラメータkの値を決定することができる。
In the above example, the value of the parameter k is input by the user, but the
実施の形態3.
図8は本発明の実施の形態3に係るギャップ検出装置20の構成を示す図である。本実施の形態3に係るギャップ検出装置20は、上述の実施の形態1に係るギャップ検出装置20において、ジャンパーピン31及びジャンパーブロック32をさらに備えるものである。
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the
ジャンパーピン31は、基準抵抗Rrefの両端をショートすることが可能である。ジャンパーピン31にジャンパーブロック32が取り付けられると、基準抵抗Rrefの両端はショートする。そうすると、入力信号Vinが直接バッファ回路23に入力される。したがって、バッファ回路23の出力信号Voutは入力信号Vinと同じとなり、信号処理部24は入力信号Vinを直接観測することができる。その他の構成については実施の形態1と同様であるため、その説明は省略する。
The jumper pin 31 can short-circuit both ends of the reference resistor Rref. When the
本来、入力信号Vinは既知ではあるが複数のギャップ検出装置20の間でばらつきが生じることがある。特に、信号生成部22がアナログ素子で構成されている場合には、当該アナログ素子の特性の個体差によって入力信号Vinにばらつきが生じやすい。
Originally, the input signal Vin is known, but there may be variations among the plurality of
本実施の形態3に係るギャップ検出装置20では、基準抵抗Rrefの両端をショートすることが可能なジャンパーピン31が設けられているため、信号処理部24で入力信号Vinを直接観測することができる。したがって、入力信号Vinにばらつきが生じる場合であっても、当該入力信号Vinの正確な情報を信号処理部24に記憶させることができる。また、信号処理部24での入力信号Vinの観測結果を用いることによって、本ギャップ検出装置20に対する工場出荷時の調整を容易に行うことができる。
In the
実施の形態4.
図9は本発明の実施の形態4に係るレーザ加工システムの構成を示す図である。本実施の形態4に係るレーザ加工システムは、上述の実施の形態1に係るレーザ加工システムにおいて、パラメータA(jω),X(jω)の値を更新するキャリブレーション機能を搭載したものである。
FIG. 9 is a diagram showing a configuration of a laser processing system according to
本実施の形態4に係る加工機コントローラ3は、所定時間ごと、あるいは操作パネル2を通じてユーザからキャリブレーションを実行する旨の通知を受け取ると、キャリブレーションモードとなる。キャリブレーションモードの加工機コントローラ3は、図9に示されるように、キャリブレーション実行信号CBをギャップ検出装置本体21に出力する。キャリブレーション実行信号CBは信号処理部24に入力される。
The
図10は本実施の形態4に係る信号処理部24の動作を示すフローチャートである。図10に示されるように、信号処理部24は、上述のステップs1〜s4を実行した後に、ステップs5においてキャリブレーション実行信号CBが入力されると、ステップs6においてパラメータA(jω),X(jω)の値を更新する。つまり、信号処理部24は、パラメータA(jω),X(jω)の値を更新するパラメータ更新部として機能する。
FIG. 10 is a flowchart showing the operation of the
図11は本実施の形態4に係るレーザ加工システム全体でのキャリブレーション動作を示すフローチャートである。図11に示されるように、キャリブレーションモードが開始すると、ステップs51において、加工機コントローラ3は、加工ヘッド6を制御して、ノズル4とワーク50との間のギャップdを所定値に設定する。そして、加工機コントローラ3は、キャリブレーション実行信号CBとともに、設定したギャップdの値を示す信号をギャップ検出装置20に出力する。
FIG. 11 is a flowchart showing a calibration operation in the entire laser processing system according to the fourth embodiment. As shown in FIG. 11, when the calibration mode is started, in step s51, the
キャリブレーション実行信号CBがギャップ検出装置20に入力されると、ステップs52において、信号処理部24は、加工機コントローラ3から通知されたギャップdの値に応じたギャップ静電容量Cgを取得する。信号処理部24は、上述のように、ギャップdとギャップ静電容量Cgとの対応関係を示すルックアップテーブルを記憶しているため、当該ルックアップテーブルを参照することによって、ステップs51で設定されたギャップdの値でのギャップ静電容量Cgを取得することができる。
When the calibration execution signal CB is input to the
次にステップs53において、信号処理部24は出力信号Voutを観測して、上述ステップs1と同様に、入力信号Vinから出力信号Voutまでの周波数伝達関数F(jω)を求める。さらに、信号処理部24は、上述の式(5)を使用して、合成アドミタンスZ(jω)-1を求める。キャリブレーションモードでは、ノズル4からレーザ光は出力されていないため、ノズル4とワーク50との間にはプラズマは発生しない。したがって、抵抗成分Rpは無限大、静電容量成分Cpは零と考えることができる。よって、キャリブレーションモードでの合成アドミタンスZ(jω)-1はjωCgと等しくなる。信号処理部24は、式(5)において、Rp-1及びCpに零を代入し、Cgに取得した値を代入し、合成アドミタンスZ(jω)-1を求める。そして、信号処理部24は、求めた周波数伝達関数F(jω)の値と合成アドミタンスZ(jω)-1の値とをペアで記憶する。
Next, in step s53, the
次にステップs54において、信号処理部24は、F(jω)及びZ(jω)-1の値の組みが所定数得られたかどかを判定する。ステップs54において、F(jω)及びZ(jω)-1の値の組みが所定数得られたと判定されると、ステップs55が実行される。
Next, in step s54, the
一方で、ステップs54において、F(jω)及びZ(jω)-1の値の組みが所定数得られていないと判定されると、信号処理部24はその旨を加工機コントローラ3に通知する。加工機コントローラ3は、その旨が通知されると、ステップs51を再度実行する。このステップs51では、前回のステップs51で設定された値とは異なった値にギャップdが設定される。そして、加工機コントローラ3は、新たに設定したギャップdの値をギャップ検出装置20に通知する。その後、ギャップ検出装置20の信号処理部24は、再度ステップs52を実行して、新たに設定されたギャップdの値に応じたギャップ静電容量Cgを取得する。そして、信号処理部24は、再度ステップs53を実行して、F(jω)及びZ(jω)-1の値の新たな組みを求める。
On the other hand, if it is determined in step s54 that a predetermined number of combinations of values of F (jω) and Z (jω) −1 are not obtained, the
ステップs55では、信号処理部24は、ステップs53で求めたF(jω)及びZ(jω)-1の値を各組ごとに上述の式(2)に代入する。これにより、互いに異なった組みのF(jω)及びZ(jω)-1の値が代入され、それぞれが未知のA(jω)とX(jω)-1を含む複数の式(2)が得られる。そして、ステップs56において、信号処理部24は、ステップs55で得られた複数の式(2)を連立方程式として、当該連立方程式から、例えば最小二乗法を使用してA(jω)とX(jω)-1の値を求める。ここでは、未知の2つのA(jω)及びX(jω)-1の値を求めるため、当該連立方程式は、少なくとも2つの式(2)で構成されていれば良い。したがって、ステップs53では、少なくとも2組のF(jω)及びZ(jω)-1の値を求めれば良い。
In step s55, the
信号処理部24は、A(jω)及びX(jω)-1の値を求めると、その旨を加工機コントローラ3に通知し、これにより、キャリブレーションモードが終了する。信号処理部24は、ギャップdを検出する際には、キャリブレーションモードで求めたA(jω)及びX(jω)-1の値を上述のステップs2で使用する。
When the
以上のように、本実施の形態4に係るギャップ検出装置20では、キャリブレーション実行信号CBが入力されると、パラメータA(jω),X(jω)の値を更新するため、システムに温度変化や経時変化が生じた場合であっても、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップdの検出に与える影響を確実に抑制することができ、当該ギャップdを高精度に検出することができる。
As described above, in the
なお、Vin(jω)・A(jω)を一つのパラメータB(jω)として捉えても良い。この場合には、上記式(1)を以下のように変形することができる。 Note that Vin (jω) · A (jω) may be regarded as one parameter B (jω). In this case, the above formula (1) can be modified as follows.
信号処理部24は、キャリブレーションモードでは、F(jω)及びZ(jω)-1の値の組みを複数組み取得する替わりに、出力信号Vout(jω)及び合成アドミタンスZ(jω)-1の値の組みを複数組み取得する。そして、上述の式(9)を使用して、B(jω)及びX(jω)-1の値を求める。信号処理部24は、キャリブレーションモードが終了すると、求めたB(jω)及びX(jω)-1の値と、式(9)とを使用して、合成アドミタンスZ(jω)-1を求める。
The
このように、式(9)を使用して合成アドミタンスZ(jω)-1を求めることによって、入力信号Vinの情報は不要となる。そして、パラメータB(jω),X(jω)の値を更新することによって、入力信号Vinが変動した場合であっても、合成アドミタンスZ(jω)-1を正確に求めることができ、ギャップdを高精度に検出することができる。また、システムに温度変化や経時変化が生じた場合であっても、レーザ加工中に発生するプラズマがギャップdの検出に与える影響を確実に抑制することができ、当該ギャップdを高精度に検出することができる。 As described above, by obtaining the combined admittance Z (jω) −1 using the equation (9), the information of the input signal Vin becomes unnecessary. Then, by updating the values of the parameters B (jω) and X (jω), the combined admittance Z (jω) −1 can be accurately obtained even when the input signal Vin fluctuates, and the gap d Can be detected with high accuracy. In addition, even when temperature changes or changes with time occur in the system, the influence of plasma generated during laser processing on the detection of the gap d can be reliably suppressed, and the gap d can be detected with high accuracy. can do.
実施の形態5.
本実施の形態5では、上述のステップs1での周波数伝達関数F(jω)を求める方法の一例について説明する。本実施の形態5では、入力信号Vinと出力信号Voutとの関係を示す時系列モデル式を使用して周波数伝達関数F(jω)を求める。以下に詳細に説明する。
In the fifth embodiment, an example of a method for obtaining the frequency transfer function F (jω) in step s1 described above will be described. In the fifth embodiment, the frequency transfer function F (jω) is obtained using a time series model expression indicating the relationship between the input signal Vin and the output signal Vout. This will be described in detail below.
本実施の形態5では、三角関数波の入力信号Vinを使用し、その周波数をf(Hz)とする。そして、信号処理部24において、入力信号Vinの周波数fの4倍、つまり4fで出力信号Voutをサンプリングする。このような4倍オーバーサンプリングの利点の一つは、入力信号Vinが三角関数波で定常状態のとき、時系列データから容易に周波数伝達関数F(jω)を求めることができる点である。
In the fifth embodiment, a trigonometric wave input signal Vin is used, and its frequency is f (Hz). Then, the
入力信号Vinのk番目のサンプリングデータuをuk、同じく出力信号Voutのk番目のサンプリングデータyをykとすると、システムが定常状態にあるときには、入力信号Vinと出力信号Voutとの関係を時系列データで表した時系列モデル式は以下の式(10)で表現できる。 If the k th sampling data u of the input signal Vin is u k and the k th sampling data y of the output signal Vout is y k , the relationship between the input signal Vin and the output signal Vout is obtained when the system is in a steady state. A time series model expression expressed by time series data can be expressed by the following expression (10).
そして、式(10)の係数a0,a1を使用して、周波数伝達関数F(jω)は以下の式(11)で表すことができる。 The frequency transfer function F (jω) can be expressed by the following equation (11) using the coefficients a 0 and a 1 of the equation (10).
ただし、ω=2πfである。 However, ω = 2πf.
信号処理部24には、入力信号Vinを4fのサンプリング周波数でサンプリングした際の入力信号Vinのサンプリングデータuが予め記憶されている。入力信号Vinのサンプリングデータuを取得する方法としては、例えば、上述の図8に示されるギャップ検出装置20を使用して、信号処理部24が直接入力信号Vinを観測できるようにし、信号処理部24は、出力信号Voutを4fのサンプリング周波数でサンプリングすることによって、結果的に入力信号Vinのサンプリングデータuを得ることができる。
The
信号処理部24は、上述のステップs1において、出力信号Voutを4fのサンプリング周波数でサンプリングし、出力信号Voutのサンプリングデータyを取得する。そして、信号処理部24は、記憶しているサンプリングデータuk,uk-1と、取得したサンプリングデータykとを式(10)に代入して、係数a0,a1を未知数とする式(10)を取得する。信号処理部24は、少なくとも3つのサンプリングデータuと、少なくとも2つのサンプリングデータyとを使用して、係数a0,a1を未知数とする式(10)を少なくとも2つ用意し、当該少なくとも2つの式(10)から成る連立方程式を用いて係数a0,a1の値を求める。係数a0,a1の値は例えば最小二乗法を用いて求めることができる。信号処理部24は、係数a0,a1の値が求まると、それらを式(11)に代入して周波数伝達関数F(jω)を求める。
In step s1 described above, the
なお、入力信号Vinと出力信号Voutとの間にオフセットが生じる場合を想定して、式(10)の替わりに係数cを含む以下の式(12)を使用することもできる。 Assuming that an offset occurs between the input signal Vin and the output signal Vout, the following equation (12) including the coefficient c can be used instead of the equation (10).
この場合には、少なくとも4つのサンプリングデータuと、少なくとも3つのサンプリングデータyとを使用して、係数a0,a1を未知数とする式(10)を少なくとも3つ用意し、当該少なくとも3つの式(10)から成る連立方程式を用いて係数a0,a1の値を求める。 In this case, using at least four sampling data u and at least three sampling data y, at least three equations (10) with coefficients a 0 and a 1 as unknowns are prepared, and the at least three The values of the coefficients a 0 and a 1 are obtained using simultaneous equations consisting of the equation (10).
以上のように、本実施の形態5では、入力信号Vinと出力信号Voutとの関係を示す時系列モデル式を使用して周波数伝達関数F(jω)を求めているため、簡単に周波数伝達関数F(jω)を求めることができる。つまり、上述のステップs1の処理をギャップ検出装置20に容易に実装できる。
As described above, in the fifth embodiment, the frequency transfer function F (jω) is obtained using the time series model expression indicating the relationship between the input signal Vin and the output signal Vout. F (jω) can be obtained. That is, the process of step s1 described above can be easily implemented in the
実施の形態6.
本実施の形態6では、上述のステップs4でのギャップdを求める方法の一例について説明する。本実施の形態6では、ギャップdとギャップ静電容量Cgとの関係を示す指数関数モデルを用いて、ギャップ静電容量Cgからギャップdを求める。
In the sixth embodiment, an example of a method for obtaining the gap d in step s4 described above will be described. In the sixth embodiment, the gap d is obtained from the gap capacitance Cg using an exponential function model indicating the relationship between the gap d and the gap capacitance Cg.
図12は、実施の形態1に係るギャップ検出装置20を用いて求めたギャップ静電容量Cgと、実際のギャップdとの関係を示す図である。図12では、横軸が信号処理部24で求められたギャップ静電容量Cgの値を示しており、縦軸が実際のギャップdの値を対数で示している。図12に示されるように、ギャップ静電容量Cgとギャップdとの関係は指数関数で近似することができる。
FIG. 12 is a diagram illustrating a relationship between the gap capacitance Cg obtained using the
信号処理部24は、ギャップ静電容量Cgとギャップdとの関係を示す指数関数式あるいは、指数関数で近似した際のギャップ静電容量Cgとギャップdとの対応関係を示すルックアップテーブルを記憶している。信号処理部24は、上述のステップs4において、当該指数関数式、あるいは当該ルックアップテーブルを使用して、ギャップ静電容量Cgからギャップdを求める。
The
図12のグラフを参照すると、ギャップ静電容量Cgは、ギャップdが約0.8mmのときに零となっており、それよりもギャップdが大きい範囲で負の値となっている。これは、ギャップdの検出を行う系のシステム同定を行う際に、ノズル4とワーク50との間に抵抗値が既知の抵抗素子を挟みつつギャップdを0.8mmに設定した際のギャップ静電容量Cgの値を基準(零)として、上述のパラメータA(jω),X(jω)の値を決定した結果である。図12のグラフでは、ギャップ静電容量Cgの値は、ギャップdが0.8mmに設定された場合の値との差分として示されている。このように、ギャップ検出装置20においては、必ずしもギャップ静電容量Cgの絶対値を求める必要はなく、あるギャップdの値を基準とした場合の当該値でのギャップ静電容量Cgの値との差分を求めても良い。
Referring to the graph of FIG. 12, the gap capacitance Cg is zero when the gap d is about 0.8 mm, and has a negative value in a range where the gap d is larger than that. This is because when the system identification of the system for detecting the gap d is performed, the gap static when the gap d is set to 0.8 mm while a resistance element having a known resistance value is sandwiched between the
以上のように、本実施の形態6では、ギャップdとギャップ静電容量Cgとの関係を示す指数関数モデルを用いて、ギャップ静電容量Cgからギャップdを求めているため、簡単にギャップdを求めることができる。つまり、上述のステップs4の処理をギャップ検出装置20に容易に実装できる。
As described above, in the sixth embodiment, the gap d is obtained from the gap capacitance Cg using the exponential function model indicating the relationship between the gap d and the gap capacitance Cg. Can be requested. That is, the process of step s4 described above can be easily implemented in the
なお、実施の形態1でも述べたように、ギャップ静電容量Cgとギャップdとの関係は、加工ヘッド6の形状、ノズル4の形状などによって変化するため、当該関係を指数関数で十分に近似できない場合には、多項式による近似を行っても良い。あるいは、ギャップ静電容量Cgの値の範囲を複数に区分して、当該複数の区分の間で異なった近似を行っても良い。あるいは、実施の形態1でも使用したように、近似を行わずにギャップ静電容量Cgとギャップdとの対応関係を直接示すルックアップテーブルを使用しても良い。
As described in the first embodiment, since the relationship between the gap capacitance Cg and the gap d varies depending on the shape of the
1 レーザ加工機、4 ノズル、20 ギャップ検出装置、22 信号生成部、23 バッファ回路、24 信号処理部、30 入力部、31 ジャンパーピン、40 中心電極、50 ワーク。
DESCRIPTION OF
Claims (16)
前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、
前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、
前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、
前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、
前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、
前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部と
を備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device that detects a gap between a nozzle that outputs laser light in a laser processing machine and a workpiece to be processed by the laser light,
A synthetic admittance acquisition unit that obtains a synthetic admittance that is a reciprocal of a synthetic impedance between a gap capacitance that depends on the gap and a plasma impedance that depends on plasma generated during laser processing on the workpiece;
From the imaginary part of the synthetic admittance, a synthetic capacitance acquisition unit that obtains a synthetic capacitance that is the sum of the gap capacitance and the capacitance component included in the plasma impedance;
From the real part of the synthetic admittance, a resistance component acquisition unit for obtaining a resistance component included in the plasma impedance;
A capacitance component acquisition unit for obtaining the capacitance component using a model indicating a relationship between the resistance component and the capacitance component and the resistance component obtained by the resistance component acquisition unit;
A gap capacitance acquisition unit that subtracts the capacitance component from the combined capacitance to obtain the gap capacitance;
A gap detection device for a laser processing machine, comprising: a gap acquisition unit that obtains the gap from the gap capacitance obtained by the gap capacitance acquisition unit.
前記静電容量成分取得部は、前記モデルとして以下の式を使用する、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
Rp:前記抵抗成分
Cp:前記静電容量成分
k:パラメータ A gap detection device for a laser beam machine according to claim 1,
The capacitance component acquisition unit is a gap detection device for a laser processing machine that uses the following expression as the model.
Rp: resistance component Cp: capacitance component k: parameter
前記静電容量成分取得部は、前記モデルとして、前記抵抗成分と前記静電容量成分との対応関係を示すルックアップテーブルを使用する、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 1,
The gap detection device for a laser processing machine, wherein the capacitance component acquisition unit uses a look-up table indicating a correspondence relationship between the resistance component and the capacitance component as the model.
前記パラメータkの値は、10-9ΩF以上10-8ΩF以下に設定される、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 2,
The gap detection device for a laser processing machine, wherein the value of the parameter k is set to 10 −9 ΩF or more and 10 −8 ΩF or less.
前記パラメータkの値を入力する入力部をさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 2,
A gap detection device for a laser processing machine, further comprising an input unit for inputting the value of the parameter k.
前記加工対象物との間で前記ギャップ静電容量を構成する中心電極に基準抵抗を介して入力される入力信号を生成して出力する信号生成部と、
前記基準抵抗における前記中心電極側の一端での信号を受けて前記静電容量成分取得部に出力するバッファ回路と
をさらに備え、
前記静電容量成分取得部は、以下の式を用いて前記合成アドミタンスを求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
j:虚数単位
ω:角周波数
Rref:前記基準抵抗
F(jω):前記入力信号から前記バッファ回路の出力信号までの周波数伝達関数
Z(jω)-1:前記合成アドミタンス
A(jω),X(jω):パラメータ A gap detection device for a laser beam machine according to claim 1,
A signal generation unit that generates and outputs an input signal that is input via a reference resistor to a center electrode that forms the gap capacitance with the workpiece;
A buffer circuit that receives a signal at one end of the reference resistor on the side of the center electrode and outputs the signal to the capacitance component acquisition unit;
The said electrostatic capacitance component acquisition part is a gap detection apparatus for laser processing machines which calculates | requires the said synthetic | combination admittance using the following formula | equation.
j: imaginary unit ω: angular frequency Rref: reference resistance F (jω): frequency transfer function from the input signal to the output signal of the buffer circuit Z (jω) −1 : the combined admittance A (jω), X ( jω): parameter
前記加工対象物との間で前記ギャップ静電容量を構成する中心電極に基準抵抗を介して入力される入力信号を生成して出力する信号生成部と、
前記基準抵抗における前記中心電極側の一端での信号を受けて前記静電容量成分取得部に出力するバッファ回路と
をさらに備え、
前記静電容量成分取得部は、以下の式を用いて前記合成アドミタンスを求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。
j:虚数単位
ω:角周波数
Rref:前記基準抵抗
Vout(jω):前記バッファ回路の出力信号
Z(jω)-1:前記合成アドミタンス
B(jω),X(jω):パラメータ A gap detection device for a laser beam machine according to claim 1,
A signal generation unit that generates and outputs an input signal that is input via a reference resistor to a center electrode that forms the gap capacitance with the workpiece;
A buffer circuit that receives a signal at one end of the reference resistor on the side of the center electrode and outputs the signal to the capacitance component acquisition unit;
The said electrostatic capacitance component acquisition part is a gap detection apparatus for laser processing machines which calculates | requires the said synthetic | combination admittance using the following formula | equation.
j: Imaginary unit ω: Angular frequency Rref: Reference resistance Vout (jω): Output signal of the buffer circuit Z (jω) −1 : Synthetic admittance B (jω), X (jω): Parameter
前記基準抵抗の両端をショートすることが可能なジャンパーピンをさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detecting device for a laser beam machine according to any one of claims 6 and 7,
A gap detection device for a laser beam machine, further comprising jumper pins capable of shorting both ends of the reference resistor.
所定の信号が入力されると前記パラメータA(jω),X(jω)の値を更新するパラメータ更新部をさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 6,
A gap detection device for a laser beam machine, further comprising a parameter update unit that updates the values of the parameters A (jω) and X (jω) when a predetermined signal is input.
所定の信号が入力されると前記パラメータB(jω),X(jω)の値を更新するパラメータ更新部をさらに備える、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 7,
A gap detection device for a laser processing machine, further comprising a parameter update unit that updates the values of the parameters B (jω) and X (jω) when a predetermined signal is input.
前記静電容量成分取得部は、前記入力信号と前記出力信号との関係を示す時系列モデル式を使用して前記周波数伝達関数F(jω)を求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 6,
The gap detection device for a laser processing machine, wherein the capacitance component acquisition unit obtains the frequency transfer function F (jω) using a time series model expression indicating a relationship between the input signal and the output signal.
前記静電容量成分取得部は、前記時系列モデル式に代入する時系列データとして、前記入力信号の周波数の整数倍で前記入力信号及び前記出力信号をサンプリングして得られるサンプリングデータを使用する、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 11,
The capacitance component acquisition unit uses sampling data obtained by sampling the input signal and the output signal at an integer multiple of the frequency of the input signal as time series data to be substituted into the time series model formula. Gap detection device for laser processing machines.
前記ギャップ取得部は、前記ギャップと前記ギャップ静電容量との関係を示す指数関数モデルを用いて、前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求める、レーザ加工機用のギャップ検出装置。 A gap detection device for a laser beam machine according to claim 1,
The gap detection device for a laser processing machine, wherein the gap acquisition unit obtains the gap from the gap capacitance using an exponential function model indicating a relationship between the gap and the gap capacitance.
前記レーザ光によって加工される加工対象物と前記ノズルとの間のギャップを検出するギャップ検出装置と
を備え、
前記ギャップ検出装置は、
前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める合成アドミタンス取得部と、
前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める合成静電容量取得部と、
前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める抵抗成分取得部と、
前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める静電容量成分取得部と、
前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求めるギャップ静電容量取得部と、
前記ギャップ静電容量取得部で求められた前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求めるギャップ取得部と
を有する、レーザ加工システム。 A laser processing machine having a nozzle for outputting laser light;
A gap detection device that detects a gap between the workpiece to be processed by the laser beam and the nozzle;
The gap detection device includes:
A synthetic admittance acquisition unit that obtains a synthetic admittance that is a reciprocal of a synthetic impedance between a gap capacitance that depends on the gap and a plasma impedance that depends on plasma generated during laser processing on the workpiece;
From the imaginary part of the synthetic admittance, a synthetic capacitance acquisition unit that obtains a synthetic capacitance that is the sum of the gap capacitance and the capacitance component included in the plasma impedance;
From the real part of the synthetic admittance, a resistance component acquisition unit for obtaining a resistance component included in the plasma impedance;
A capacitance component acquisition unit for obtaining the capacitance component using a model indicating a relationship between the resistance component and the capacitance component and the resistance component obtained by the resistance component acquisition unit;
A gap capacitance acquisition unit for subtracting the capacitance component from the combined capacitance to obtain the gap capacitance;
A laser processing system comprising: a gap acquisition unit that obtains the gap from the gap capacitance obtained by the gap capacitance acquisition unit.
前記レーザ加工機は、前記静電容量成分を求める際に使用されるパラメータの値を前記ギャップ検出装置に入力し、
前記静電容量成分取得部は、前記モデルとして以下の式を使用する、レーザ加工システム。
Rp:前記抵抗成分
Cp:前記静電容量成分
k:前記パラメータ The laser processing system according to claim 14,
The laser processing machine inputs a value of a parameter used when obtaining the capacitance component to the gap detection device,
The capacitance component acquisition unit is a laser processing system that uses the following equation as the model.
Rp: the resistance component Cp: the capacitance component k: the parameter
(a)前記ギャップに依存するギャップ静電容量と、前記加工対象物に対するレーザ加工中に発生するプラズマに依存するプラズマインピーダンスとの合成インピーダンスの逆数である合成アドミタンスを求める工程と、
(b)前記合成アドミタンスの虚部から、前記ギャップ静電容量と前記プラズマインピーダンスに含まれる静電容量成分との和である合成静電容量を求める工程と、
(c)前記合成アドミタンスの実部から、前記プラズマインピーダンスに含まれる抵抗成分を求める工程と、
(d)前記抵抗成分と前記静電容量成分との関係を示すモデルと、前記抵抗成分取得部で求められた前記抵抗成分とを用いて、前記静電容量成分を求める工程と、
(e)前記合成静電容量から前記静電容量成分を差し引いて、前記ギャップ静電容量を求める工程と、
(f)前記ギャップ静電容量から前記ギャップを求める工程と
を備える、レーザ加工機用のギャップ検出方法。
A gap detection method for detecting a gap between a nozzle that outputs laser light in a laser processing machine and a workpiece to be processed by the laser light,
(A) obtaining a synthetic admittance that is a reciprocal of a synthetic impedance between a gap capacitance dependent on the gap and a plasma impedance dependent on plasma generated during laser processing on the workpiece;
(B) obtaining a synthetic capacitance that is a sum of the gap capacitance and a capacitance component included in the plasma impedance from an imaginary part of the synthetic admittance;
(C) obtaining a resistance component included in the plasma impedance from the real part of the synthetic admittance;
(D) determining the capacitance component using a model indicating the relationship between the resistance component and the capacitance component, and the resistance component determined by the resistance component acquisition unit;
(E) subtracting the capacitance component from the combined capacitance to obtain the gap capacitance;
(F) A gap detection method for a laser beam machine, comprising: obtaining the gap from the gap capacitance.
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